766328A ermofysiikka Harjoitus no. 3, ratkaisut (syyslukukausi 201) 1. (a) ilavuus V (, P ) riippuu lämpötilasta ja paineesta P. Sen differentiaali on ( ) ( ) V V dv (, P ) dp + d. P Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää κ 1 ( ) ( ) V V κv (1) V ja tietoa siitä, että lämpötila on vakio, saadaan ( ) V dv (, P ) dp + 0 ( ) V V P κv P P P 0 P κv P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on V s β s V 0, missä V 0 on alkutilavuus ja lämpötilan muutos (paine ei muuta säiliön tilavuutta). Nesteen tilavuuden muutos on kohdan (a) perusteella V n β n V 0 κv 0 P. Oletetaan, että säiliö on myös lämpölaajenemisen jälkeen aivan täynnä nestettä. ällöin säiliön ja nesteen täytyy laajentua yhtä paljon eli V s V n ja β s V 0 β n V 0 κv 0 P P β n β s. κ Jos säiliö on aluksi paineeton, laajenemisen jälkeen paine P P. (c) Sijoittamalla (b)-kohdassa laskettuun yhtälöön arvot 10,0 10,0 K, β s 3,6 10 5 K 1, β n 75 10 5 K 1 ja κ 11 10 10 Pa 1 saadaan P (75 3,6) 10 5 K 1 11 10 10 Pa 1 10,0 K 6,9 10 6 Pa 6,5 MPa. 2. (a) Kuparisauvan pituus l 1 1,00 m ja kummankin sauvan pinta-ala A,00 cm 2. Kuparin lämmönjohtavuus k 1 385,0 W/(m K) ja teräksen k 2 50,2 W/(m K). Stationaarisessa tilassa lämpövirta sauvojen läpi on paikasta riippumaton vakio H. Se voidaan määrittää kuparisauvan avulla, kun tunnetaan sen päiden lämpötilat H ja C, H k 1 A H C l 1 385,0 W m 1 K 1,00 10 m 2 5,39 W. 373,15 K 338,15 K 1 m 1
(b) Kun H tunnetaan, terässauvan pituus l 2 voidaan määrittää lämpövirran yhtälöstä, missä H ja C ovat nyt terässauvan päiden lämpötilat, H k 2 A H C l 2 l 2 k 2 A H C H 50,2 W m 1 K 1,00 10 m 2 0,222 m 2,2 cm. 338,15 K 273,15 K 5,39 W 3. Auringon irradianssi h 0 1000 W/m 2 ja suurin korkeus horisontista α 8,5. uleva irradianssi voidaan jakaa pinnan suuntaiseen (ei lämmitä) ja pintaa vastaan kohtisuoraan (lämmittää) komponenttiin, joista jälkimmäinen on h h 0 sin α. h 0 h α Kuva 1: Kesäinen auringonpaiste Oulussa. Oletetaan, että absorptiokerroin on yksi. Käyttämällä Stefan-Boltzmannin lakia h σ, missä Stefan-Boltzmannin vakio σ 5,67000 10 8 W/(m 2 K ), saadaan vaakasuoran mustan kappaleen lämpötilaksi h0 sin α σ 1000 W m 2 sin 8,5 5,67000 10 8 W m 2 K 339,01 K 66.. Käytetään tähden pinnan emissiivisyydelle approksimaatiota ɛ 1. ällöin tähden säteilemisvoimakkuus h ɛσ σ. Säteilemisteho P ha, missä A on tähden pinta-ala. Jos tähdet oletetaan pallon muotoisiksi, niin A πr 2, missä r on tähden säde. ällöin P πr 2 h P r πσ. (a) Rigel, 11000 K ja P 2,7 10 32 W, 2,7 10 r 32 W π 5,67000 10 8 W m 2 K (11000 K) 1,61 10 11 m. 2
(b) Procyon B, 10000 K ja P 2,1 10 23 W, 2,1 10 r 23 W π 5,67000 10 8 W m 2 K (10000 K) 5,3 10 6 m. Vertailuarvoja: r Maa 6,37 10 6 m, r Aurinko 6,96 10 8 m ja d Maa Aurinko 1,9 10 11 m. 5. Venuksen etäisyys auringosta d V 1,08 10 11 m. Auringon emissiivisyys ɛ A 1, säde r A 6,96 10 8 m ja pintalämpötila A 5780 K. Stefan-Boltzmannin vakio σ 5,67000 10 8 W/(m 2 K ). (a) Jos aurinko oletetaan pallon muotoiseksi, sen säteilyteho P A h A (πra 2 ), missä r A on Auringon säde. Irradianssin h A ɛ A σa σ A avulla säteilytehoksi saadaan P A πσa r2 A, joka voidaan olettaa vakioksi. Venuksen aurinkovakio h V on Auringon irradianssi Venuksen radan kohdalla. Se saadaan laskemalla säteilyteho pinta-alayksikköä kohti Venuksen radan etäisyydellä Auringosta, h V P A πd 2 V πσ A r2 A πd 2 V σ A r2 A d 2 V 5,67000 10 8 W m 2 K (5780 K) (6,96 10 8 m) 2 (1,08 10 11 m) 2 2628,27593 W m 2 2630 W m 2. (b) Venuksen albedo on 65 %, jolloin absorptiokerroin ɛ abs 1 0,65 0,35. Planeetan kokonaispinta-alalle absorboituva keskimääräinen irradianssi P V /(πrv 2 ), missä P V h V ɛπrv 2 on planeetan projektiolle absorboituva teho. Siis h V ɛ abs πr 2 V πr 2 V ɛ absh V 0,35 2628,27593 W m 2 229,9871 W m 2 230 W m 2. (c) Läpinäkyvä kaasukehä ei absorboi säteilyä (albedo on edelleen 65 %). Pinnan emissiivisyys 3
ɛ V 1, jolloin ɛ V σ 0 σ 0. ästä saadaan pinnan lämpötilaksi 0 hav σ 229,9871 W m 2 5,67000 10 8 W m 2 K 252,3612057 K 21. (d) Kuvataan kaasukehää yhdellä absorboivalla kerroksella, joka emittoi säteilyä samalla voimakkuudella kaikkiin suuntiin. Venuksen pinnalle absorboituvan lämpövirran tiheydeksi tulee tällöin yhteensä 2. asapainossa pinnan lämpötilan 1 tulee olla sellainen, että pinnan säteilemisvoimakkuus on 2, jolloin Auringosta, λ 0,5 µm λ 10 µm Venuksen pinta 2 σ 1 2σ 0 σ 1 1 2 0 2 (252,3612057 K) 300,10971 K 27. (e) Kuvataan kaasukehää n kerroksella, joista jokainen absorboi täydellisesti kuten (d)- kohdassa. ällöin ensimmäisen kerroksen alaspäin emittoima lämpövirta absorboituu toiseen kerrokseen, joka absorboi säteilyn ja emittoi sen edelleen alaspäin seuraavaan kerrokseen, kunnes n kerroksen jälkeen säteily absorboituu Venukseen. asapainossa siis (n + 1) σ n (n + 1)σ 0 σ n n (n + 1) 0 (n + 1) 0. (f) Havaintojen mukainen n 6 737,15 K. Kohdassa (c) lasketun lämpötilan 0 avulla saadaan kohdassa (e) lasketusta relaatiosta kerrosten lukumääräksi ( ) n n 1 0 ( ) 737,15 K 1 252,3612057 K 71,8003 72.
6. Pallossa olevan heliumin paine P 130 kpa ja lämpötila 20 293,15 K. Pallon säde r 10 cm ja sen kuoren paksuus d 0,085 mm. Heliumin diffuusiokerroin kuoressa on D 60 10 12 m 2 /s. (a) Fickin 1. diffuusiolain mukaan hiukkasvirran tiheys j jossakin pisteessä on suoraan verrannollinen tässä pisteessä vallitsevaan hiukkastiheyden ϱ N/V gradienttiin, j D ϱ. (3.30) x Aluksi kaikki helium on pallon sisällä. arkastellaan tilannetta pisteeessä x kuoren sisäpinnalla ja tiheyden muutosta kuoressa matkalla x d, jonka ulkopuolella hiukkastiheys häviää. Derivaatan määritelmästä seuraa, että ϱ x ϱ(x + x) ϱ(x) x 0 N/V. d Olettamalla helium ideaalikaasuksi saadaan tilanyhtälöstä N/V P/(k ). Hiukkasvirran tiheydeksi saadaan siten j D P dk 60 10 12 m 2 s 1 130 10 3 Pa 0,085 10 3 m 1,3806505 10 23 J K 1 293,15 K 2,267 10 19 m 2 s 1 2,3 10 19 m 2 s 1. (b) yhjenemisnopeus saadaan kertomalla hiukkasvirran tiheys sillä pinta-alalla, jonka läpi diffuusio tapahtuu, v ja jπr 2 2,267 10 18 (m 2 s) 1 π (0,1 m) 2 2,89 10 18 s 1 2,8 10 18 s 1. (c) Jos hiukkasvirran oletetaan pysyvän koko ajan vakiona, tyhjenemisaika saadaan laskettua tyhjenemisnopeuden ja alkuperäisen kaasumäärän avulla. Pallossa ennen tyhjenemistä olevien heliumatomien lukumäärä saadaan kaasun tilanyhtälöstä, N P V /(k ), jolloin tyhjenemisajaksi saadaan t N v P V vk V πr3 3 πp r3 3vk π 130 10 3 Pa (0,1 m) 3 3 2,89 10 18 s 1 1,3806505 10 23 J K 1 293,15 K 722 s 13 h. 5